20 oktober 2018

Ontstaat donkere energie door kwantumeffecten in een compacte dimensie?

De ultraviolet ultra deep field (EVUDF) gemaakt met de Hubble ruimtetelescoop

Sinds 1998 weten we dat het heelal versnelt expandeert, bewezen door twee onafhankelijke teams van sterrenkundigen, wiens bazen er in 2011 de Nobelprijs voor de Natuurwetenschappen voor kregen. De kracht die deze extra expansie veroorzaakt wordt de donkere energie genoemd en dankzij onderzoek van de Planck-satelliet weten we dat die donkere energie maar liefst 68,3% van alle massa-energie in het heelal vormt. Sinds 1998 breekt men zich het hoofd over de ware aard van donkere energie, waarbij soms terug wordt gegrepen op theorieën van lang geleden, zoals Einstein’s Kosmologische Constante uit 1917. Onlangs werd een artikel op de ArXiv gezet met een nieuw en interessant voorstel: is de donkere energie niet een resultaat van kwantumeffecten die plaatsvinden in compacte dimensies? De drie natuurkundigen, Arnaud Dupays, Brahim Lamine en Alain Blanchard (IRAP), baseren zich op het bekende Casimir-effect, dat in 1948 werd voorspeld door onze landgenoten Hendrik Casimir en Dirk Polder – hé, waarom heet het eigenlijk niet het Casimir-Poldereffect?1 Pas hadden we het nog over dat effect in relatie tot een statisch heelal, goh wat een toeval.

Bij het Casimir-effect worden twee geleidende metalen platen zeer dicht bij elkaar gehouden, op een afstand van enkele micrometer. De ruimte zit vol met virtuele deeltjesparen, waar we normaal gesproken niets van merken omdat de effecten ervan elkaar opheffen. Maar tussen die twee platen lukt dat opheffen niet en het gevolg is dat door de kwantumeffecten van de virtuele deeltjesparen de twee platen tegen elkaar worden gedrukt. De virtuele deeltjesparen van het vacuüm hebben dus de kracht om twee metalen platen tegen elkaar te drukken, ook al zit er ‘niets’ tussen die platen. Het Casimir-effect laat dus zien dat kwantumfluctuaties in het vacuüm een kracht kunnen veroorzaken. En da’s nou precies wat Dupays, Lamine en Blanchard betogen: dat de donkere energie een resultaat is van dergelijke kwantumfluctuaties in het vacuüm. Voorwaarde is dan wel dat er een ‘beperkte geometrie’ moet zijn, d.w.z. een geometrie met een beperkt aantal dimensies. De Snaartheorie of M-theorie kent tien ruimtedimensies (plus één tijdsdimensie) en daarvan zijn er zeven ‘gecompactificeerd’, d.w.z. opgerold om zichzelf of ‘gekruld rondom Calabi-Yau ruimtes’ – tsja, hoe zeg ik het precies? Oh ja neem een rietje: dat kent twee dimensies, een gewone lengte en een gekrulde breedte, de omtrek van het rietje is dan de gecompactificeerde dimensie, metaforisch gesproken tenminste. Hieronder een voorbeeld van zo’n Calabi-Yau ruimte, zeg maar een multidimensionaal rietje.

Calabi Yau manifold

Als die extra dimensies extra bestaan, dan zijn de kwantumfluctuaties beperkt tot die gecompactificeerde dimensies en dat zou een soort van kosmisch Casimir-effect kunnen geven, dat lijkt op de donkere energie. Maar nou komt het: het bestaan van de zwaartekracht stelt ook eisen aan de hoeveelheid compacte dimensies. Maart dit jaar was ik al eens ingegaan op de vraag waarom de zwaartekracht zo ontzettend zwak is en het antwoord was dat het wellicht komt omdat de kracht van de zwaartekracht weglekt naar die compacte dimensies. Als compacte dimensies bestaan zou Newton’s omgekeerde kwadratenwet van de zwaartekracht uit 1687 – “De zwaartekracht tussen twee puntmassa’s is evenredig met het product van hun massa’s en omgekeerd evenredig met het kwadraat van hun afstand” – moeten stoppen bij die dimensies. Hieronder die eeuwenoude wet, getoond aan de hand van een appel.

De omgekeerde kwadratenwet van de zwaartekracht

Metingen geven aan dat á¡ls compacte dimensies bestaan, ze niet groter zijn dan 85 micrometer, de breedte van een mensenhaar. Maar wat blijkt verder nog uit de berekeningen van Dupays, Lamine en Blanchard? Dat op basis van de kwantumfluctuaties die zeven compact dimensies helemaal niet werken en dat er maar één compacte dimensie bestaat, eentje met een afmeting van zo’n 35 micrometer, 0,035mm. Bij die afstand zou de zwaartekracht dus z’n omgekeerde kwadratenrelatie moeten verlaten. Deze compacte dimensie is dan de vijfde dimensie, naast de vier reguliere dimensies van ruimte en tijd.

Daar is ‘ie, de vijfde dimensie – oh wacht, da’s een hele andere.

Eh… dat idee dat de donkere energie een resultaat zou zijn van kwantumfluctuaties van het vacuüm is toch niet nieuw, hoor ik je al denken? Nee, op zich is dat idee al ‘oud’, is het al in 1998 geopperd – wat zeg ik, de Rus Zel’dovich kwam er al in 1967 mee aan. Maar het probleem is dat het tot de zogenaamde vacuüm catastrofe leidt:  als je de energiedichtheid van het vacuüm gaat berekenen, de energie van al die virtuele deeltjesparen, die bij verschijnselen zoals het Casimireffect en de Lambverschuiving tevoorschijn komen, dan zit er een verschil van maar liefst 10^120 tussen de berekende energiedichtheid van het vacuüm en de gemeten energiedichtheid, die zo’n 10^-29 g/cm^3 bedraagt! 😯 Dat verschil wordt ook wel ‘de slechtste theoretische voorspelling in de geschiedenis van de natuurkunde‘ genoemd. Het is dankzij de beperking door Dupays, Lamine en Blanchard tot één compacte extra dimensie, en die weer beperkt tot een afmeting van 35 μm, dat de vacuüm catastrofe voorkomen wordt en de berekende en gemeten energiedichtheid gelijk zijn. Ze spreken van een ‘gravitationeel Casimireffect‘. Ze denken dat de donkere energie die er het gevolg van is constant is – dus altijd en overal hetzelfde – en niet variabel, zoals in de andere verklaringen van de donkere energie zoals de theorie van de kwintessens en fantoomvelden. Een interessante theorie, nietwaar? Bron: Brian Koberlein.

Noten
  1. Nouwen, even goed lezen hé: op de Wikipedia-pagina staat toch duidelijk dat de kracht van het effect ook wel de Casimir-Polderkracht wordt genoemd. []

Reacties

  1. Arnaud Dupays, Brahim Lamine en Alain Blanchard moeten niet zo ingewikkeld doen. En verder ook niemand wat dat aangaat. “Donkere energie” bestaat niet.

    Donkere energie is niks meer dan het resultaat van het beperkte waarnemingsvermogen van de mens, oftewel: “niet verder kijken dan je neus lang is”. Kan ook niet in dit specifieke geval, want de lichtsnelheid is de beperkende factor. Maar goed, op kosmologische schaal is ons hele (zichtbare en onzichtbare) heelal en de big bang (wat dat dan ook is) waaruit deze is ontstaan maar een muggenpoepje.

    “Donker energie” is feitelijk gewoon zwaartekracht. Niks meer en niks minder.

  2. Qsan, jij kijkt kennelijk wel verder dan je neus lang is, dus daar ben ik blij om. In 1998 werd door twee onafhankelijke teams ontdekt dat het heelal steeds sneller uitdijt. Je zegt in je reactie eerst dat donkere energie niet bestaat, vervolgens dat het gewoon zwaartekracht is. Zwaartekracht trekt aan, dus de grote vraag is dan hoe het komt dat het heelal steeds sneller uitdijt. Wat is jouw verklaring dan hiervoor?

  3. Dit alles is enkel hypothetisch, want ik kan natuurlijk ook niet verder kijken dan mijn kosmologische neus lang is

    De versnelde uitdijing van het heelal is niks anders dan valversnelling.

    Ons heelal wordt momenteel natuurlijk niet (meer) uit elkaar geduwd, maar uit elkaar getrokken. Dat verklaart ook de cold spots in de achtergrondstraling, de donkerblauwe vlekken. Deze minieme temperatuursverschillen worden veroorzaakt doordat het heelal op die plaatsen net wat sneller uitdijt dan in de andere richtingen. Met andere woorden: daar wordt er dus net wat harder aan getrokken.

    Nadat ik dit heb bedacht heeft één of andere juffrouw dit ook al eens aangekaart, meer even geen idee meer wie dat ook al weer geweest is.

  4. Wim+van+Kampen zegt:

    Donkere energie (onzichtbare materie) is de tegenpool van zichtbare materie.
    De subatomaire deeltjes van de onzichtbare materie hebben macrospin -1/2 in plaats van +1/2.

    Gelijksoortige materie trekt elkaar aan.
    Ongelijksoortige materie stoot elkaar af.
    Wat het afstoten betreft is de wetenschappelijke conclusie een juiste.

    Alles in het universum wil de lichtsnelheid aannemen, dus wordt het heelal steeds groter.
    Ik vind het geen sterk argument, er is een betere, maar dat gaat te ver.
    Ik heb jarenlang op basis van de Natuurwet in de mening verkeerd dat er geen wisselwerking tussen zichtbare en onzichtbare materie bestaat. Dit betekende dat het mogelijk is dat bijvoorbeeld de aarde zich midden in een zwart gat van de onzichtbare materie kan begeven.

    De Natuurwet luidt: Al het abstracte heeft een tegenpool met tegengestelde kenmerken, behalve het hiërarchisch hoogst abstracte.
    Kort door de bocht: Als er gevulde ruimte is, moet er ook lege ruimte zijn.

  5. Michel Beekveld zegt:

    Ik heb wat moeite met de uitleg van het Casimir-effect.

    Tussen de twee platen passen minder “standing-waves”, dan erbuiten. Simpelweg omdat de ruimte tussen de platen beperkt is. Erbuiten is dat niet het geval.
    Het resultaat is een netto druk.

    Ik sta uiteraard open voor het aantonen van mijn ongelijk

    Michel

  6. rudiev zegt:

    Je zou zeggen dat als het universum expandeert door quantumfluctuaties van het vacuum dat de energiedichtheid van het vacuum afneemt gezien er van uit wordt gegaan dat het unversum een vaste hoeveelheid energie heeft. Dan zou je zeggen dat de quantumfluctuaties van het vacuum ook minder worden en zou het uitzetten langzamer moeten gaan.

  7. Michel Beekveld zegt:

    @ rudiev

    De quantumfluctuaties moeten over een tijdsperiode uitkomen op 0. Anders zou een vacuum, netto een energie op moeten brengen. Van het zwaartekrachtveld, en het electromagnetisch veld, weten we dat de waardes 0 zijn.
    Alleen het Higgs heeft een positieve waarde (246 GeV). Maar er zijn geen signalen dat deze waarde toeneemt.
    Maw, de Vacuum Expectation Value, kan niet verantwoordelijk zijn voor inflatie noch expansie.

    Ik sta uiteraard open voor het aantonen van mijn ongelijk

    Michel

  8. Heel interessant om dat alles te lezen – en goed uit gelegd – maar blijft nog steeds theorie de tijd zal leren wat het uiteindelijk zal zijn – maar blijf boeien .

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.